CN107591625A - 一种用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元，解决的是损耗大、带宽窄、功率容量小、难以工作于高频段的技术问题，通过采用包括两层介质层，为第一介质层与第二介质层，第一介质层与第二介质层之间设有液晶腔，第一介质层与液晶腔接触的表面上依次设有金属单元、第一液晶取向层，第二介质层与液晶腔接触的表面上设有金属接地面、第二液晶取向层；所述金属单元为多谐振单元；所述第一液晶取向层至少覆盖金属单元；所述液晶腔内填充有液晶材料；还包括外置偏压单元，外置偏压单元的一个连接端与金属单元电连接，另一个连接端与金属接地面电连接的技术方案，较好的解决了该问题，可用于平面反射阵天线中。

Description

一种用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元。

背景技术

平面反射阵天线一般由呈周期性排布的反射阵面和馈源组成，可以通过调节每个离散单元的反射系数，设计和控制阵面上每个离散点的幅度和相位，从而可实现对波束的动态调控。

现有的波束扫描平面反射阵天线采用机械调谐技术以及电子器件调谐技术。机械调谐技术是通过调整馈源喇叭的位置、旋转反射面口径上相移单元等手段实现波束扫描。机械调谐技术扫描速度慢、偏置电压高、可靠性差。电子调谐技术主要通过调控加载的可调电子器件的偏压，从而控制移相单元的移相量来实现波束扫描。电子器件调谐技术扫描速度快、偏置电压较低、直流功耗较小，是目前最成熟的波束扫描调控方式，但是其受限于使用的电子器件射频功率容量较低。同时，由于可调控电子器件拥有截止频率的限制，且随着频率的提高，电子器件损耗将增大，因此不适用于高频段、大功率。

针对传统平面反射阵存在的损耗大、带宽窄、功率容量小、难以工作于高频段等问题，本发明提出一种用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元，具有宽带宽、线性度好、损耗小、功率容量大等特点，可用于可重构平面反射阵。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的损耗大、带宽窄、功率容量小、难以工作于高频段的技术问题。提供一种新的用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元，该用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元具有带宽宽、线性度好、损耗小、功率容量大的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元，其特征在于：所述用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元包括两层介质层，为第一介质层与第二介质层，第一介质层与第二介质层之间设有液晶腔，第一介质层与液晶腔接触的表面上依次设有金属单元、第一液晶取向层，第二介质层与液晶腔接触的表面上设有金属接地面、第二液晶取向层；所述金属单元为多谐振单元；所述第一液晶取向层至少覆盖金属单元；所述液晶腔内填充有液晶材料；用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元还包括外置偏压单元，外置偏压单元的一个连接端与金属单元电连接，另一个连接端与金属接地面电连接。

本发明的工作原理：液晶材料是介于液态与结晶态之间的有机化合物，兼有液体和晶体的流动性、各向异性等。对于一个液晶分子在其中定向锚泊排列的液晶盒来说，当由外界施加低频驱动电场时，液晶分子的感应电偶极矩与此电场相互作用产生驱使液晶指向矢与外电场倾向一致的力矩，从而改变该液晶的指向矢在空间的分布状态。同时，液晶材料对于具有一定偏振方向的线偏振入射电磁波而言，液晶光轴空间取向的改变即意味着对入射波有效折射率的改变，从而实现了该入射电磁波在液晶材料中传输状态的调制。由于液晶材料在外加偏压过程中有效光学介电常数逐步变化，从而导致其介电常数的逐步变化。因此，利用液晶材料介电常数电可调的性质，将液晶材料用于平面反射阵单元的设计，通过外加偏压就可以实现对单元移相量的控制，从而实现平面反射阵波束扫描设计。

上述方案中，为优化，进一步地，所述金属单元为亚波长多谐振结构单元。

进一步地，所述亚波长多谐振结构单元包括四个完整周期的正弦谐振单元，所述四个正弦谐振单元中相邻的两个正弦谐振单元间距为栅格0.27^λ。

进一步地，所述液晶腔由第一介质层、第二介质层以及正交设置的衬垫封闭构成。

进一步地，所述第一介质层上设有液晶注入孔，与液晶注入孔匹配的孔塞。

平面反射阵天线的最大缺陷是其窄带特性，通常它的带宽小于5％甚至更低。传统的变尺寸的谐振型单元通过在工作频带内产生强度不一的谐振获得所需相移，单元自身相移特性对频率变化呈非线性响应，这是限制工作带宽的关键因素。因此，为了提升反射单元的工作带宽就需要降低单元反射特性的频率敏感度，以获得近乎线性的相移特性。

首先，为了降低单元反射特性的频率敏感度，本发明采用多谐振单元技术，同时摒弃传统变尺寸来获取所需相移的方案，避免了变尺寸带来的频率敏感度，直接通过改变谐振单元的介电常数来获取所需相移。其次，亚波长技术是一种优秀的宽带单元方案，但面临着小栅格长引发的相移范围过窄的问题。同时，基于相位优化的多谐振单元可以在有限的栅格空间内扩大单元的移相范围，降低相位曲线梯度，展宽反射阵天线的工作带宽。因此，为了进一步提升多谐振单元的性能，综合亚波长和多谐振技术各自的优势，本节中将多谐振单元引入亚波长栅格之中，以期望单元获得更宽的工作频带和更优秀的移相特性。

本发明的有益效果：

效果一，本发明采用多谐振单元技术，采用改变介质介电常数的方式来移相，避免了变尺寸带来的频率敏感度，直接通过改变谐振单元的介电常数来获取所需相移，带宽宽、线性度好、损耗小、功率容量大；

效果二，将多谐振单元引入亚波长栅格之中，获得更宽的工作频带和更优秀的移相特性；

效果三，舍弃传统的移相电路，能够获得较小的体积结构，完成集成化和小型化设计。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，正弦亚波长多谐振结构单元正视图。

图2，宽带平面反射阵单元侧视结构示意图。

图3，正弦亚波长多谐振结构单元下的宽带平面反射阵单元S11示意图。

图4，正弦亚波长多谐振结构单元下的宽带平面反射阵单元移相曲线示意图。

图5，测试频率为35GHz时正弦亚波长多谐振结构单元下的宽带平面反射阵单元移相曲线示意图。

图6，亚波长多谐振结构单元示意图。

图中：1-完整周期的正弦谐振单元，2-完整周期的谐振单元，3-金属接地面，4-液晶取向层，5-金属单元，6-第一介质层，7-衬垫，8-外置偏压单元，9-第二介质层，10-液晶腔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元，其如图2，所述用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元包括两层介质层，为第一介质层6与第二介质层9，第一介质层6与第二介质层9之间设有液晶腔10，第一介质层6与液晶腔10接触的表面上依次设有金属单元5、第一液晶取向层4，第二介质层9与液晶腔10接触的表面上设有金属接地面3、第二液晶取向层4；所述金属单元5为多谐振单元；所述第一液晶取向层4至少覆盖金属单元5；所述液晶腔10内填充有液晶材料；用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元还包括外置偏压单元8，外置偏压单元8的一个连接端与金属单元5电连接，另一个连接端与金属接地面3电连接。

具体地，所述液晶腔10由第一介质层6、第二介质层9以及正交设置的衬垫7封闭构成。

为方便液晶填充，优选地，所述第一介质层6上设有液晶注入孔，与液晶注入孔匹配的孔塞。

外置偏压单元8设计如图2，外置偏压单元8的电压输出正负极分别连接到金属单元5和金属接地面3。通过在液晶腔10体两侧形成电势差，并通过对外置偏压单元8的电压输出控制，控制电势差，从而控制液晶材料的介电常数，完成对移相的相位大小的控制。

本实施例优先设计金属单元5，金属单元5为移相单元。移相单元设计使用无限周期边界条件去模拟大阵环境并以此分析每个独立单元的特性，将反射阵面等效为无限大二维周期平面，每个单元被该平面上无限延伸排布的相同单元所包围；基于佛罗凯特定理(即Floquet Theorem)的理论基础，通过对单元施加周期边界条件，将无限大阵列的分析简化为单个单元，并计算单元互耦，所求得的反射系数就是这个单元在实际阵列中的近似反射系数。

再采用全波电磁仿真法或者等效电路模型法去分析不同类型的反射单元，本实施例主从边界法对单元结构进行分析。主从边界法可以用来分析平面周期结构，电磁计算方法采用有限元法。对空气腔的两对垂直于单元平面的面进行主从边界设定：这种边界条件强制使从边界上每点的电场相位与主边界上对应点的电场相位以某一相位差相匹配；这个相位差值一般由激励波入射角或者人工确定，可以仿真分析单元斜入射的情况。

平面反射阵天线的最大缺陷是其窄带特性，通常它的带宽小于5％甚至更低。传统的变尺寸的谐振型单元通过在工作频带内产生强度不一的谐振获得所需相移，单元自身相移特性对频率变化呈非线性响应，这是限制工作带宽的关键因素。因此，为了提升反射单元的工作带宽就需要降低单元反射特性的频率敏感度，以获得近乎线性的相移特性。

首先，为了降低单元反射特性的频率敏感度，本发明采用多谐振单元技术，同时摒弃传统变尺寸来获取所需相移的方案，避免了变尺寸带来的频率敏感度，直接通过改变谐振单元的介电常数来获取所需相移。

实施例2

本实施例将多谐振单元改进为亚波长多谐振结构单元。

亚波长技术是一种优秀的宽带单元，面临着小栅格长引发的相移范围过窄的问题。同时，基于相位优化的多谐振单元可以在有限的栅格空间内扩大单元的移相范围，降低相位曲线梯度，展宽反射阵天线的工作带宽。因此，为了进一步提升多谐振单元的性能，综合亚波长和多谐振技术各自的优势本实施将多谐振单元引入亚波长栅格之中，以期望单元获得更宽的工作频带和更优秀的移相特性。

如图6为本实施例的亚波长多谐振结构单元，其单元栅格为0.27^λ，由四个完整周期的谐振单元2组成，分别对应四个谐振点。

优选地，为了能在更小的亚波长栅格中获得足够的相移范围，需要对单元进行小型化设计，如图1，每个单元都采用正弦结构，为正弦亚波长多谐振结构单元以增加电流的路径，达到小型化的目的。

本实施采用正弦结构的亚波长多谐振结构单元。S11如图3所示为正弦亚波长多谐振结构单元下的宽带平面反射阵单元S11示意图，其中Ka频段单元损耗小于5dB。

图4为正弦亚波长多谐振结构单元下的宽带平面反射阵单元测试结果中不同介电常数下单元移相量曲线，具有高达12.8％的增益带宽，单元具有良好的宽带特性。

图5为正弦亚波长多谐振结构单元下的宽带平面反射阵单元在频率为35GHz时单元的移相曲线，具有超过400°的移相量，且具有良好的线性度。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元，其特征在于：所述用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元包括两层介质层，为第一介质层(6)与第二介质层(9)，第一介质层(6)与第二介质层(9)之间设有液晶腔10，第一介质层(6)与液晶腔(10)接触的表面上依次设有金属单元(5)、第一液晶取向层(4)，第二介质层(9)与液晶腔(10)接触的表面上设有金属接地面(3)、第二液晶取向层(4)；

所述金属单元(5)为多谐振单元；

所述第一液晶取向层(4)至少覆盖金属单元(5)；

所述液晶腔(10)内填充有液晶材料；

用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元还包括外置偏压单元8，外置偏压单元(8)的一个连接端与金属单元(5)电连接，另一个连接端与金属接地面(3)电连接。

2.根据权利要求1所述的用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元，其特征在于：所述金属单元(5)为亚波长多谐振结构单元。

3.根据权利要求2所述的用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元，其特征在于：所述亚波长多谐振结构单元包括四个完整周期的正弦谐振单元(1)，所述四个正弦谐振单元中相邻的两个正弦谐振单元间距为栅格0.27λ。

4.根据权利要求1-3任一所述的用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元，其特征在于：所述液晶腔(10)由第一介质层(6)、第二介质层(9)以及正交设置的衬垫(7)封闭构成。

5.根据权利要求1-3任一所述的用于可重构平面反射阵的宽带平面反射阵单元，其特征在于：所述第一介质层(6)上设有液晶注入孔，与液晶注入孔匹配的孔塞。